Példák a félvezetők. Típusai, tulajdonságai, gyakorlati alkalmazások

A legismertebb a félvezető szilícium (Si). De rajta kívül vannak még sokan mások. Példák a természetes, mint félvezető anyagok például cinkféle (ZnS), kuprit (Cu _2O), galenit (PBS), és még sokan mások. A család félvezetők, beleértve a félvezetőket elő laboratóriumokban, jelenti az egyik legváltozatosabb anyagcsoportokból ismert ember.

Jellemzése félvezetők

A 104 elem a periódusos rendszer fémek 79, 25 - nemfémek, amelyből a 13 kémiai elemek rendelkeznek félvezető tulajdonságokkal és 12 - dielektromos. Fő jellemzője félvezető abban áll, hogy a vezetőképessége jelentősen növeli a hőmérséklet növekedésével. Alacsony hőmérsékleten úgy viselkednek, mint szigetelők és magas - vezetőként. Ezek a félvezetők eltérnek fém: fém ellenállás arányosan nő a hőmérséklet emelkedését.

Egy másik különbség a félvezető fém, hogy az ellenállást a félvezető csökken hatása alatt a fény, míg az utóbbi a fém nem befolyásolja. Szintén a vezetőképessége félvezetők változik, ha beadjuk egy kisebb mennyiségű szennyezést tartalmaz.

Semiconductors között találhatók kémiai vegyületek különböző kristályszerkezetű. Ezek lehetnek elemek, mint például szilícium és szelén, vagy kettős vegyületek, mint például gallium-arzenid. Számos szerves vegyület, mint például poliacetilén, (CH) _n, - félvezető anyagok. Bizonyos félvezetők mutatnak mágneses (Cd _1-x Mn _X TE), vagy a ferroelektromos tulajdonságokkal (SbSI). Egyéb ötvözés elegendő vált szupravezető (GeTe és SrTiO _3). Sok az újonnan felfedezett magas hőmérsékletű szupravezetők fémes félvezető fázis. Például, La ₂ CuO ₄ egy félvezető, de a formáció a ötvözet Sr válik sverhrovodnikom (La _1-x Sr _{x) 2} CuO _4.

Fizika tankönyvek definíciót, mint a félvezető anyagot egy villamos ellenállás 10 ^-4 10 ⁷ ohm · m. Talán egy másik definíciót. A szélessége a tiltott sávban a félvezető - 0 és 3 eV. Fémek és semimetals - egy anyag nulla energia rés, és az anyag, amelyben az meghaladja W eV úgynevezett szigetelők. Vannak kivételek. Például, egy félvezető gyémánt széles tiltott terület 6 eV, egy félig-szigetelő GaAs - 1,5 eV. GaN, egy anyag optoelektronikai eszközök a kék területen, egy tiltott sáv szélessége 3,5 eV.

Az energia hiány

Valence pályák atomok a kristályrácsban vannak osztva két csoportra energiaszintjeinek - egy szabad terület, található, a legmagasabb szintű, és határozza meg az elektromos vezetőképessége félvezetők, és a vegyérték sáv, az alábbiakban. Ezek a szintek, attól függően, hogy a szimmetria a kristályrács szerkezetének és atomok is metszik, vagy egymástól bizonyos távolságra. Az utóbbi esetben van egy energia hiány, vagy más szavakkal, a tiltott sávban zónákat.

A hely és a töltési szint határozza meg a vezetőképes anyag tulajdonságaira. E szerint a jellemző anyag osztva a vezetők, szigetelők és félvezetők. A szélessége a tiltott sávban a félvezető változik 0,01-3 eV, az energia különbség a dielektromos mint 3 eV. Fémek átfedés miatt az energia rések szintek nem.

Félvezetők és szigetelők, ellentétben fémek, az elektronok megtöltött vegyértéksáv és a legközelebbi szabad zónába, vagy a vezetési sáv, a vegyérték energia elkerített ruptura - része tiltott energiák elektronok.

Dielektrikumokban hőenergia, vagy csak elhanyagolható elektromos mező nem elég ahhoz, hogy a folytatásban keresztül ezt az űrt, az elektronok nem tartoznak a vezetési sávban. Ők nem tudnak mozogni a kristályrács és hordozóivá válnak az elektromos áramot.

Hogy stimulálják az elektromos vezetőképesség, az elektron a vegyérték szinten kell adni az energiát, ami elég ahhoz, hogy legyőzni az energia különbség. Csak akkor, ha az energia mennyisége az abszorpció nem kisebb, mint az érték az energia különbség, majd át a vegyérték-elektron szinten a vezetési szinten.

Ebben az esetben, ha a szélessége az energia különbség meghaladja a 4 eV, vezetőképesség félvezető gerjesztési besugárzás vagy melegítés gyakorlatilag lehetetlen - a gerjesztési energia az elektronok a olvadási hőmérséklet nem elegendő ahhoz, hogy ugrani az energia rést a zóna. Amikor melegítjük, a kristály megolvad, mielőtt az elektronikus vezetőképesség. Az ilyen anyagok közé tartoznak a kvarc (DE = 5,2 eV), gyémánt (DE = 5,1 eV), sok sók.

Extrinsic és intrinsic vezetőképesség félvezető

Net félvezető kristályok belső vezetőképesség. Ilyen félvezetőket tulajdonnevek. Intrinsic félvezető tartalmaz azonos számú lyukak és szabad elektronokat. Melegítésekor belső vezetőképességét félvezetők növekszik. Állandó hőmérsékleten, van egy feltétele dinamikus egyensúlyi mennyisége generált elektron-lyuk párok száma és a rekombinációs elektronok és a lyukak, amelyek állandó marad ilyen körülmények között.

A szennyeződések jelenléte jelentősen befolyásolja az elektromos vezetőképesség félvezetők. Hozzátéve, lehetővé teszi, hogy jelentősen növeli a számát szabad elektronok egy kis lyukak száma, és növeli a lyukak száma egy kis elektronok száma a vezetési szinten. Szennyező félvezetők - a vezetőnek a szennyező vezetőképesség.

A szennyeződések könnyen adományozni elektronok úgynevezett donor. A donor szennyeződések lehetnek kémiai elemek az atomok, a vegyérték szinteket, amelyek több elektront, mint az atomok az alapanyag. Például, a foszfor és a bizmut - szilícium donor szennyeződések.

A szükséges energiát a folytatásban az elektron a vezetési régióban, az úgynevezett aktiválási energia. Szennyező félvezető kell sok kevesebbet, mint az alapanyag. A csekély melegítés vagy könnyű túlnyomórészt megszabadítjuk atomok elektronjainak a szennyező félvezetők. Hely maradt az atom vesz egy elektron lyuk. De az elektron lyuk rekombináció nem kerül sor. donor lyuk vezetőképesség elhanyagolható. Ez azért van, mert kis mennyiségű szennyező atomok nem teszik lehetővé a szabad elektronok gyakran közelebb a lyukhoz, és tartsa meg. Az elektronok néhány lyuk, de nem tudja kitölteni őket, mert nincs elegendő energia szintet.

Egy kis adalék donor szennyező több nagyságrenddel megnöveli a vezetési elektronok képest több szabad elektronok a belső félvezető. Az elektronok itt - a fő hordozói atomi töltéseket szennyező félvezetők. Ezek az anyagok tartoznak az n-típusú félvezetők.

Szennyeződések, amelyek kötődnek az elektronok a félvezető, számának növelése lyukak is, az úgynevezett akceptor. Acceptor szennyezések kémiai elemek kisebb elektronok száma vegyérték szinten, mint az alapja a félvezető. Bór, gallium, indium - akceptor szennyező szilícium.

A jellemzői a félvezető függ a kristályszerkezete hibák. Ez okozza a szükségességét egyre rendkívül tiszta kristályok formájában. A paraméterek a félvezető vezetési ellenőrzött hozzáadásával dópoló anyagok. Szilícium kristályok adalékolt foszfor (V alcsoport elem), amely egy donor létrehozni kristályos szilícium N-típusú. Crystal egy p-típusú szilícium beadott bór akceptor. Félvezetők kompenzált Fermi szinten, hogy helyezze át a közepén a sávú létre ezen a módon.

Egyetlen elem félvezetők

A leggyakoribb félvezető, természetesen, szilícium. Együtt Németország volt a prototípus egy nagy osztálya félvezetők, melyek hasonló kristályszerkezet.

Szerkezet kristály Si és Ge az ugyanaz, mint a gyémánt, és α-ón. Ez körül minden egyes atom 4 legközelebbi alkilcsoport, amely alkotnak tetraéder. Ez a koordináció az úgynevezett négy alkalommal. Crystals tetradricheskoy kötés acélalappal az elektronikai ipar számára, és fontos szerepet játszanak a modern technológia. Néhány elem V. és VI a periódusos csoport is félvezetők. Példák az ilyen típusú félvezetők - foszfor (P), kén (S), szelén (Se) és tellúr (Te). Ezek a félvezetők lehetnek tripla atomok (P), kétszeresen (S, Se, Te) vagy négyes koordinációval. Ennek következtében az ilyen elemek létezhetnek különböző kristályos szerkezetek, és is előállíthatjuk formájában üveg. Például, Se termesztett monoklin és trigonális kristályszerkezetek, vagy mint egy ablak (amely szintén tekinthető polimer).

- Diamond kiváló hővezető, kiváló mechanikai és optikai tulajdonságok, nagy mechanikai szilárdságú. A szélessége a energia rés - De = 5,47 eV.

- Szilícium - félvezető használt napelemek, és az amorf módosulatot, - egy vékony filmes napelem. Ez a leginkább használt félvezető napelemek, könnyen gyártható, jó villamos és mechanikai tulajdonságokat. De = 1,12 eV.

- germánium - félvezető használt gamma-spektroszkópiával, nagy teljesítményű napelemek. Használt az első diódák és tranzisztorok. Ez kevesebb, mint a szilícium tisztítást. De = 0,67 eV.

- Szelén - félvezető, amelyet használnak a szelén egyenirányítók, amelynek nagy sugárzási ellenállás és a képességét, hogy meggyógyítsa magát.

Két részből álló vegyületek

Tulajdonságok félvezetők kialakított elemek a 3. és 4. a periódusos táblázat csoportok hasonlítanak a tulajdonságait vegyületek 4 csoport. Az átmenet a 4 csoport elemek vegyületek 3-4 gr. Ez teszi a kommunikációt részben ionos töltés közlekedési elektronok egy atom atom 3. csoport 4. csoport. Iontartalma megváltoztatja a tulajdonságait félvezetők. Ez növekedést okoz a Coulomb energia és ion-ion kölcsönhatási energia különbség elektron sávszerkezet. Példa bináris Az ilyen típusú vegyületek - indium antimonidból, InSb, gallium-arzenid GaAs, gallium antimonidból GaSb, indium-foszfid InP, alumínium antimonidból AlSb, gallium-foszfid rés.

Iontartalma növekszik, és annak értéke nő több csoportokon képezett 2-6 vegyületek, mint például a kadmium-szelenid, cink-szulfid, kadmium-szulfid, kadmium-tellurid, cink-szelenid. Ennek eredményeként, a vegyületek többsége 2-6 csoportok tiltott sávban szélesebb, mint 1 eV, azzal az eltéréssel, higanyvegyületek. Higany Telluride - energia nélkül félvezető, félfém, mint például α-ón.

Félvezetők 2-6 csoportok nagyobb energia különbség találni a termékek előállításához használt lézerek és megjeleníti. Bináris csoportok 6 2- vegyületet egy szűkített rés energia alkalmas infravörös vevővel. Bináris vegyületek A csoportjának elemeiből 1-7 (réz-bromid CuBr, AgI ezüst-jodid, réz-klorid CuCl) köszönhetően a magas iontartalma szélesebb bandgap W eV. Ők valójában nem a félvezetők és szigetelők. Kristálynövekedés horgonyzó energia miatt Coulomb interionic kölcsönhatást elősegíti strukturáló atomok só a hatodrendű, ahelyett, hogy a kvadratikus koordináta. Vegyületek 4-6 csoportok - szulfid, ólom-tellurid, ón-szulfid - a félvezetők. Iontartalma ezen anyagok is elősegíti a kialakulását hatszorosára koordinációt. Sokkal iontartalma nem zárja ki a jelen van egy nagyon keskeny sávban hiányosságok, lehet őket használni fogadására infravörös sugárzást. Gallium-nitrid - vegyület csoportok 3-5 széles energia hiány, alkalmazásra találhatnak félvezető lézerek és a fénykibocsátó diódák működő kék része a spektrum.

- GaAs, gallium-arzenid - igény után a második szilícium félvezető általánosan használt szubsztrát egyéb vezetékeket, például GaInNAs és InGaAs, a setodiodah infravörös, nagyfrekvenciás tranzisztorok és IC-k, nagyon hatékony napelemek, lézer diódák, detektorok a nukleáris gyógyítására. De = 1,43 eV, ami javítja a hálózati eszközök, mint a szilícium. Törékeny, több szennyezést tartalmaz, nehéz gyártani.

- ZnS, cink-szulfid - a cink-sót a hidrogén-szulfid a tiltott sávban zónák és 3,54 3,91 eV, használt lézerek és mint foszfor.

- SNS, ón-szulfid - félvezető használt fotoellenállások és fotodiódák, dE = 1,3 és 10 eV.

oxidok

A fém-oxidok előnyösen kiváló szigetelők, de vannak kivételek. Példák az ilyen típusú félvezetők - nikkel-oxid, réz-oxid, kobalt-oxid, réz-dioxid, vas-oxid, európium-oxid, cink-oxid. Mivel a réz-dioxid létezik az ásványi kuprit, annak tulajdonságait tanulmányoztuk intenzíven. Az eljárást a termesztésére ilyen típusú félvezető még nem teljesen világos, így használatuk még mindig korlátozott. Kivételt képez ez alól a cink-oxid (ZnO), vegyület csoportokban 2-6, használunk az átalakító és a termelés ragasztószalagok és vakolatok.

A helyzet drámaian megváltozott, miután a szupravezetés fedezte fel számos vegyület réz oxigénnel. Az első magas hőmérsékletű szupravezető nyissa Bednorz és Müller, vegyület volt félvezető alapul La ₂ CuO _4, az energia különbség 2 eV. Behelyettesítve kétértékű háromértékű lantán, bárium vagy stroncium, vezetünk be a félvezető töltéshordozók lyukak. Elérje a szükséges lyukat koncentráltak La _{2 réz-4} szupravezető. Ebben az időben, a legmagasabb hőmérséklet az átmenet a szupravezető állapotba tartozik vegyülethez HgBaCa ₂ Cu ₃ O _8. Nagy nyomáson, értéke 134 K.

ZnO, cink-oxid varisztor használunk, kék fénykibocsátó diódák, gázérzékelők, biológiai szenzorok, bevonatok ablakok visszaveri az infravörös fényt, mint karmester LCD-kijelzők és napelemek. De = 3,37 eV.

réteges kristályok

Dupla vegyületek, mint a dijodid ólom, gallium-szelenid és molibdén-diszulfid különböznek réteges kristályszerkezetű. A rétegek kovalens kötések jelentős erő, sokkal erősebb, mint a Van der Waals kötések a rétegek között magukat. Félvezetők ilyen típusú azért érdekes, mert az elektronok viselkednek réteg kvázi kétdimenziós. Kölcsönhatása rétegek megváltozik bevezetésével kívüli atomok - interkalációs.

_MoS2, molibdén-diszulfid használják nagyfrekvenciás detektorok, egyenirányítók, memristor, tranzisztorok. De = 1,23 és 1,8 eV.

szerves félvezetők

Példák a félvezetők alapján szerves vegyületek - naftalin, poliacetilén (CH _{2) n-,} antracén, polydiacetylene, ftalotsianidy, polyvinylcarbazole. Szerves félvezetők előnyt élveznek a nem-szerves: azok könnyen, hogy a kívánt minőséget. Anyagok konjugált kötések képeznek -C = C-C = rendelkeznek jelentős optikai nemlinearitást, és ennek köszönhetően az optoelektronikai alkalmazva. Ezen túlmenően, az energia sávú szerves félvezető általános képletű vegyületet változhat változás, hogy sokkal könnyebb, mint a hagyományos félvezetők. Kristályos allotropes szén fullerének, grafén, nanocsövek - is félvezetők.

- A Fullerene szerkezete konvex zárt polytóp formája, amely egyenlő számú szénatomot tartalmaz. A fullerén C ₆₀ doppingolása alkálifémmel szupravezetővé alakítja.

- A grafént egy monatomos szénréteg képezi, amely kétdimenziós hatszögletű rácshoz kapcsolódik. Van rekord hővezetőképesség és elektron mozgékonyság, nagy merevség

- A nanocsöveket egy több gramm nanométer átmérőjű grafit lemezek csőjébe forgatják. Ezek a szénformák nagy kilátásokkal rendelkeznek a nanoelektronikában. Az adhéziótól függően fémes vagy félvezető tulajdonságokkal lehet kimutatni.

Mágneses félvezetők

Az europium és a mangán mágneses ionjaival rendelkező vegyületek érdekes mágneses és félvezető tulajdonságokkal rendelkeznek. Ilyen típusú félvezetők például az europium-szulfid, az europium-szelenid és a szilárd oldatok, mint a Cd _1-x Mn _x Te. A mágneses ionok tartalma befolyásolja az olyan mágneses tulajdonságokat, mint az antiferromágnetizmus és a ferromágnesesség. A félmágneses félvezetők olyan félvezetők szilárd mágneses oldatai, amelyek kis koncentrációban mágneses ionokat tartalmaznak. Az ilyen szilárd megoldások vonzanak figyelmet a kilátásokkal és nagy lehetőségekkel a lehetséges alkalmazásokra. Például, ellentétben a nem mágneses félvezetőkkel, el tudják érni egymilliószor nagyobb Faraday forgatást.

A mágneses félvezetők erős mágneses-optikai hatásai lehetővé teszik optikai modulációhoz való alkalmazását. A perovskitek, mint például a Mn _0,7 Ca _0.3 O _3, tulajdonságai jobbak a fém-félvezető átmenethez képest, amelynek közvetlen függése a mágneses téren az óriás mágneses ellenállás jelenségének következménye. Ezeket a rádiókészülékeket, optikai eszközöket használják, amelyeket mágneses mező vezérel, mikrohullámú eszközök hullámvezetőire.

Félvezető ferroelektrics

Ez a fajta kristály jellemzője a villamos pillanatok jelenléte és a spontán polarizáció megjelenése. Például a PbTiO3 ólom-titánát félvezetők, BaTiO ₃ bárium-titanát, GeTe-tellurid, SnTe tellurid, amelyek ferroelektromos tulajdonságai alacsony hőmérsékleten vannak ilyen tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezeket az anyagokat nemlineáris optikai, memóriaeszközökben és piezoelektromos érzékelőkben használják.

Félvezető anyagok változatossága

A fentebb említett félvezető anyagokon kívül sok más van, amelyek nem tartoznak a felsorolt típusok közé. Az 1-3-5 (1-3) általános képletű vegyületek (AgGaS ₂ ) és 2-4-5 ₂ (ZnSiP2) vegyületek kristályokat képeznek a kalkopirit szerkezetében. A vegyületek kötése tetraéderes, 3-5. És 2-6. Félvezető félvezetőkkel analóg, cinkblende kristályszerkezettel. Az 5. és 6. csoportba tartozó félvezetők (például az As ₂ Se ₃ ) elemeit képező vegyületek kristály vagy üveg formájában félvezetőek. A bizmut és antimon kalkogénjeit félvezető termoelektromos generátorokban használják. Az ilyen típusú félvezetők tulajdonságai rendkívül érdekesek, de korlátozott alkalmazásuk miatt nem szereztek népszerűséget. Azonban az a tény, hogy léteznek, megerősíti a jelenlétét még a félvezető fizika fel nem fedett területeinek vége előtt is.